基于單片機和FPGA的頻率特征測試儀

3．3 比較器電路
在輸入／輸出端信號經無限放大進入過零比較器，產生與兩信號同步變化的方波信號，可提供給FPGA進行相位差計數。過零比較器無相位延遲，其方波信號完全反應進、出網絡的相位差。MAX912是MAXIM公司的雙通道高速低功耗、高精度電壓比較器。該器件傳播速度快(典型值為10 ns)，功耗低(單個比較器工作電流為6 mA)，每個比較器均有獨立的鎖存使能功能。由于FPGA對相位的測量是基于對下降沿的檢測，為了產生邊沿陡峭的方波，因此，選用MAX912組成的高速過零比較器，其電路如圖4所示。

4 軟件設計
圖5為系統軟件設計流程圖，首先系統初始化，主要是初始化LCD菜單顯示，這樣可便于根據LCD菜單進行按鍵操作。然后系統可根據默認頻率范圍(100 Hz~1 000 kHz)掃描，如果無其他按鍵，則示波器顯示待測網絡在該默認頻率范圍的頻率特性曲線。當有按鍵下，CPU產生中斷進行按鍵處理，改變掃描參數。系統配置主要有4種按鍵處理情況，若左右頻率設置則改變最小最大頻率，即改變掃描范圍；若步進設置，則改變掃描步進，最小步進設置為10 Hz；若設置為快掃和慢掃，快掃速度快實時性好，而慢掃精度高但速度慢；若特定頻率點測量，則LCD顯示該網絡在單個頻率點的幅度特性和相位特性。按鍵設置完畢，系統按照設定參數掃描和測試，示波器和LCD顯示新結果并等待新的按鍵操作。

5 測量結果
在此基礎上設計一個雙T網絡。由于雙T濾波網絡是屬于帶阻濾波器，若輸入某一頻率信號，該電路發生諧振而使其不能通過，但輸入其他頻率信號基本都可通過，但幅值有所衰減。采用阻抗星形三角形變換法，該雙T網絡可等效為簡單的π型網絡。利用Matlab仿真，得到雙T濾波網絡幅頻特性曲線和相頻特性曲線，如圖6所示。

通過實驗測試數據可知，雙T網絡的中心頻率在50 kHz左右。在中心頻率上，相頻特性出現突變，由負相位特性最大值突變為正相位極大值。幅頻特性曲線在中心頻率上出現極小值，衰減大，在其帶寬范圍之外網絡衰減比較小。因此，利用該系統設計可直觀顯示出一個網絡的頻率特性。

6 結語
該系統設計可以方便地測量未知網絡在中低頻的幅頻特性和相頻特性的曲線，并在示波器顯示。該系統設計有助于學生理解電子線路理論知識，有利于自主開發簡易的測量儀器。